刻画维纳过程
一维维纳过程的性质
基本性质
对任意的正实数
t
{\displaystyle t}
,一维维纳过程在
t
{\displaystyle t}
时刻是一个随机变量,它的概率密度函数 是:
f
W
t
(
x
)
=
1
2
π
t
e
−
x
2
/
2
t
.
{\displaystyle f_{W_{t}}(x)={\frac {1}{\sqrt {2\pi t}}}e^{-x^{2}/{2t}}.}
这是因为按照维纳过程的定义,当
s
=
0
{\displaystyle s=0}
时,可以推出
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的分布:
W
t
=
W
t
−
W
0
∼
N
(
0
,
t
)
.
{\displaystyle W_{t}=W_{t}-W_{0}\sim {\mathcal {N}}(0,t).}
它的数学期望是零:
E
(
W
t
)
=
0.
{\displaystyle \mathbb {E} (W_{t})=0.}
它的方差 是
t
{\displaystyle t}
:
Var
(
W
t
)
=
E
(
W
t
2
)
−
E
2
(
W
t
)
=
E
(
W
t
2
)
−
0
=
E
(
W
t
2
)
=
t
.
{\displaystyle \operatorname {Var} (W_{t})=\mathbb {E} (W_{t}^{2})-\mathbb {E} ^{2}(W_{t})=\mathbb {E} (W_{t}^{2})-0=\mathbb {E} (W_{t}^{2})=t.}
在维纳过程的独立增量定义中,令
t
2
=
t
{\displaystyle t_{2}=t}
,
s
2
=
t
1
=
s
<
t
{\displaystyle s_{2}=t_{1}=s<t}
,
s
1
=
0
{\displaystyle s_{1}=0}
,那么
W
s
=
W
t
1
−
W
s
1
∼
N
(
0
,
s
)
{\displaystyle W_{s}=W_{t_{1}}-W_{s_{1}}\sim {\mathcal {N}}(0,s)}
和
W
t
−
W
s
=
W
t
2
−
W
s
2
∼
N
(
0
,
t
−
s
)
{\displaystyle W_{t}-W_{s}=W_{t_{2}}-W_{s_{2}}\sim {\mathcal {N}}(0,t-s)}
是相互独立的随机变量,并且
cov
(
W
s
,
W
t
)
=
E
[
(
W
s
−
E
(
W
s
)
)
⋅
(
W
t
−
E
(
W
t
)
)
]
=
E
(
W
s
⋅
W
t
)
=
E
[
W
s
(
W
t
−
W
s
)
]
+
E
(
W
s
2
)
=
E
(
W
s
)
E
(
W
t
−
W
s
)
+
s
=
s
.
{\displaystyle \operatorname {cov} (W_{s},W_{t})=\mathbb {E} \left[(W_{s}-\mathbb {E} (W_{s}))\cdot (W_{t}-\mathbb {E} (W_{t}))\right]=\mathbb {E} (W_{s}\cdot W_{t})=\mathbb {E} [W_{s}\left(W_{t}-W_{s}\right)]+\mathbb {E} (W_{s}^{2})=\mathbb {E} (W_{s})\mathbb {E} \left(W_{t}-W_{s}\right)+s=s\ \ .}
所以两个不同时刻
0
⩽
s
,
t
{\displaystyle 0\leqslant s,t}
,
W
t
{\displaystyle W_{t}}
与
W
s
{\displaystyle W_{s}}
的协方差 和相关系数 是:
cov
(
W
s
,
W
t
)
=
min
(
s
,
t
)
,
corr
(
W
s
,
W
t
)
=
c
o
v
(
W
s
,
W
t
)
σ
W
s
σ
W
t
=
min
(
s
,
t
)
s
t
=
min
(
s
,
t
)
max
(
s
,
t
)
.
{\displaystyle \operatorname {cov} (W_{s},W_{t})=\min(s,t)\,,\qquad \quad \operatorname {corr} (W_{s},W_{t})={\mathrm {cov} (W_{s},W_{t}) \over \sigma _{W_{s}}\sigma _{W_{t}}}={\frac {\min(s,t)}{\sqrt {st}}}={\sqrt {\frac {\min(s,t)}{\max(s,t)}}}\,.}
即时最值
维纳过程中的即时最大值
M
t
=
max
0
≤
s
≤
t
W
s
{\displaystyle M_{t}=\max _{0\leq s\leq t}W_{s}}
与
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的联合概率分布是:
f
M
t
,
W
t
(
m
,
w
)
=
2
(
2
m
−
w
)
t
2
π
t
e
−
(
2
m
−
w
)
2
2
t
,
m
≥
0
,
w
≤
m
{\displaystyle f_{M_{t},W_{t}}(m,w)={\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}},m\geq 0,w\leq m}
而即时最大值的分布
f
M
t
{\displaystyle f_{M_{t}}}
是对
−
∞
<
w
≤
m
{\displaystyle -\infty <w\leq m}
的积分:
f
M
t
(
m
)
=
∫
−
∞
m
f
M
t
,
W
t
(
m
,
w
)
d
w
=
∫
−
∞
m
2
(
2
m
−
w
)
t
2
π
t
e
−
(
2
m
−
w
)
2
2
t
d
w
=
2
π
t
e
−
m
2
2
t
{\displaystyle f_{M_{t}}(m)=\int _{-\infty }^{m}f_{M_{t},W_{t}}(m,w)\,dw=\int _{-\infty }^{m}{\frac {2(2m-w)}{t{\sqrt {2\pi t}}}}e^{-{\frac {(2m-w)^{2}}{2t}}}\,dw={\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{\frac {-m^{2}}{2t}}}
即时最大值的数学期望是[ 3] :114 :
E
M
t
=
∫
0
∞
m
f
M
t
(
m
)
d
m
=
∫
0
∞
m
2
π
t
e
−
m
2
2
t
d
m
=
2
t
π
.
{\displaystyle \mathbb {E} M_{t}=\int _{0}^{\infty }mf_{M_{t}}(m)\,dm=\int _{0}^{\infty }m{\sqrt {\frac {2}{\pi t}}}e^{\frac {-m^{2}}{2t}}\,dm={\sqrt {\frac {2t}{\pi }}}.}
由于维纳过程上下对称,即时最小值显然是即时最大值的相反数 。
对称性质
将一个维纳过程不断按比例展开,它的一部分就会呈现另一个维纳过程的样子
尺度不变性:对任意的正实数
α
>
0
{\displaystyle \alpha >0}
,随机过程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
1
α
W
α
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}={\frac {1}{\sqrt {\alpha }}}W_{\alpha t}}
都仍然是一个维纳过程。
时间反转:对任意的正实数
T
>
0
{\displaystyle T>0}
,随机过程
(
V
t
)
0
⩽
t
⩽
T
:
V
t
=
W
T
−
W
T
−
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{0\leqslant t\leqslant T}:\,\,V_{t}=W_{T}-W_{T-t}}
和
(
W
t
)
0
⩽
t
⩽
T
{\displaystyle \left(W_{t}\right)_{0\leqslant t\leqslant T}}
性质相同。
空间对称:随机过程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
−
W
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}=-W_{t}}
也是一个维纳过程。
时间反演:随机过程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
0
=
0
,
∀
t
>
0
,
V
t
=
t
W
1
t
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{0}=0,\,\,\forall t>0,\,\,V_{t}=tW_{\frac {1}{t}}}
也是一个维纳过程。
参考资料:[ 2] :13 、[ 4] :44
时间平移不变性和马尔可夫性质
维纳过程具有马尔可夫性质 ,也就是说,在任意一点之后的走势仅仅和这一点的取值相关,而与之前的取值无关。也就是说,对任何的有界连续函数
ϕ
{\displaystyle \phi }
,
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
t
)
|
F
t
]
=
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
t
)
|
W
t
]
{\displaystyle \mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant t)|{\mathcal {F}}_{t}]=\mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant t)|W_{t}]}
因此维纳过程具有时间平移不变性:随机过程
(
V
t
)
t
⩾
0
:
V
t
=
W
t
0
+
t
−
W
t
0
{\displaystyle \left(V_{t}\right)_{t\geqslant 0}:\,\,V_{t}=W_{t_{0}+t}-W_{t_{0}}}
也是一个维纳过程。不仅如此,维纳过程还满足强马尔可夫性质:对任意的有限停时
τ
{\displaystyle \tau }
,随机变量
B
t
=
W
τ
+
t
−
W
τ
{\displaystyle B_{t}=W_{\tau +t}-W_{\tau }}
独立于滤波
F
τ
{\displaystyle {\mathcal {F}}_{\tau }}
。也就是说,对任何的有界连续函数
ϕ
{\displaystyle \phi }
,
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
τ
)
|
F
τ
]
=
E
[
ϕ
(
W
s
,
s
⩾
τ
)
|
W
τ
]
.
{\displaystyle \mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant \tau )|{\mathcal {F}}_{\tau }]=\mathbb {E} [\phi (W_{s},s\geqslant \tau )|W_{\tau }].}
维纳过程的强马尔可夫性质,说明即便给定的时间不是定时而是一个停时,维纳过程在停时之后的走势仍然与之前无关。所以,将停时之后的维纳过程上下反转,仍然会是一个维纳过程。用数学语言来说,就是:给定一个停时
τ
{\displaystyle \tau }
之后,随机变量:
B
t
=
W
t
1
t
⩽
τ
+
(
2
W
τ
−
W
t
)
1
t
>
τ
{\displaystyle B_{t}=W_{t}\mathbf {1} _{t\leqslant \tau }+\left(2W_{\tau }-W_{t}\right)\mathbf {1} _{t>\tau }}
也是一个维纳过程。这个性质也称为维纳过程的反射原理。
作为推论,可以建立即时最大值
M
t
=
max
0
≤
s
≤
t
W
s
{\displaystyle M_{t}=\max _{0\leq s\leq t}W_{s}}
与
W
t
{\displaystyle W_{t}}
的另一种关系。设有正实数
a
>
0
{\displaystyle a>0}
停时
τ
a
=
inf
{
t
>
0
,
W
t
>
a
}
{\displaystyle \tau _{a}=\inf\{t>0,\,W_{t}>a\}}
,那么
{
τ
a
⩽
t
}
=
{
M
t
⩾
a
}
{\displaystyle \{\tau _{a}\leqslant t\}=\{M_{t}\geqslant a\}}
。运用反射原理可以证明,
P
(
M
t
⩾
a
)
=
2
P
(
W
t
⩾
a
)
=
P
(
|
W
t
|
⩾
a
)
{\displaystyle \mathbb {P} \left(M_{t}\geqslant a\right)=2\mathbb {P} \left(W_{t}\geqslant a\right)=\mathbb {P} \left(|W_{t}|\geqslant a\right)}
。更一般地,设有
a
>
b
⩾
0
{\displaystyle a>b\geqslant 0}
,则
P
(
W
t
⩽
b
,
M
t
⩾
a
)
=
P
(
W
t
⩾
2
a
−
b
)
{\displaystyle \mathbb {P} \left(W_{t}\leqslant b,\,M_{t}\geqslant a\right)=\mathbb {P} \left(W_{t}\geqslant 2a-b\right)}
。
参见
参考来源
^ (英文) Rick Durrett. Probability: theory and examples ,4th edition. Cambridge University Press. 2000. ISBN 0521765390 .
^ 2.0 2.1 2.2 (英文) Peter Mörters, Yuval Peres. Brownian Motion . Cambridge University Press Cambridge Series in Statistical and Probabilistic Mathematics. 2010. ISBN 9780521760188 .
^ (英文) Steven E. Shreve. Stochastic Calculus for Finance II: Continuous Time Models . Springer. 2008. ISBN 978-0-387-40101-0 .
^ Nizar Touzi, Peter Tankov. Calcul Stochastique en Finance . Les Éditions de l'École Polytechnique. 2010.
Kleinert, Hagen , Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets , 4th edition, World Scientific (Singapore, 2004); Paperback ISBN 981-238-107-4 (also available online: PDF-files (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ))
Stark,Henry, John W. Woods , Probability and Random Processes with Applications to Signal Processing , 3rd edition, Prentice Hall (New Jersey, 2002); Textbook ISBN 0-13-020071-9
Daniel Revuz and Marc Yor, Continuous martingales and Brownian motion , second edition, Springer-Verlag 1994.